BJT (Bipolar Junction Transitor)에 대해서 아는 대로 설명해보세요.

[구조 및 작동 원리]

BJT는 PNP형과 NPN형으로 나뉘며, 둘의 작동 원리는 '방향'만 다 거꾸로 해주면 되므로 NPN형으로 설명을 하자. NPN형 BJT는 아주 좁은 P형 반도체의 양쪽에 N형 반도체 두 개를 붙여서 만든다. 다리 3개에 이름을 붙여주는데, 중간에 있는 P형 반도체 다리를 베이스(Base, B), 양쪽에 있는 N형 반도체 다리 중에서 전류를 끌어오는 쪽을 컬렉터(Collector, C), 뱉어내는 쪽을 이미터(Emitter, E)라고 한다.

NPN BJT를 올바르게 동작시키는 방법은 BE에 순방향 바이어스 전압을, BC에 역방향 바이어스 전압을 걸어주는 것이다. 먼저 BE에 순방향 전압을 걸어주면, PN 접합이 순방향으로 바이어스 된 것과 같아 다이오드와 비슷하게 작동한다. 그러다가 BC에 역방향 바이어스 전압을 걸어주면, 전자의 일부만 베이스로 나가게 되고 나머지 아이들은 더 높은 전압이 걸린 컬렉터로 끌려간다.

그러나 BC에 전압이 걸리지 않으면 전자들이 PN접합을 뛰어넘을 에너지가 없어서 전류가 거의 흐르지 않는다. 따라서 베이스에 전압을 걸어서 전류를 흘려줘야만 컬렉터로 전류가 흐르게 되고, 증폭을 하게 된다.

[BJT의 특성]

BJT의 베이스에 어떤 전류를 흘려주고, 컬렉터에 걸어주는 전원을 점점 늘려보면 아래와 같은 특성이 보인다.

또 증폭률은 직류와 교류에 따라서도 다르며, 온도나 흐르고 있는 전류에 따라서도 계속 변한다. 그러나 모든 것을 전부 계산할 수 없기 때문에 계산할 때는 한 값으로 고정해두고 나중에 적당히 미세 조정 등을 한다. 데이터시트에서는 증폭률을 hFE라고 쓰기도 한다.

바이폴라 트랜지스터는 금속-산화물-반도체 전계 효과 트랜지스터(metal-oxide-semiconductor field effect transistor, 이하 MOSFET)보다 제조 공정이 복잡할 뿐 아니라 트랜지스터와 트랜지스터를 격리하기 위해 넓은 면적이 낭비되는 문제를 안고 있다. 이러한 이유로 다결정 실리콘(polysilicon)을 게이트 물질로 사용한 실리콘 게이트 MOSFET 공정 기술이 개발된 이후에는, 실리콘 게이트 NMOS(n-type MOS) 기술이 1970년대와 1980년대 초반기의 LSI(large scale integration)와 VLSI(very large scale integration) 시대의 주류 기술로서 반도체 기술의 발전을 주도하였다.

한편, 1990년대에 들어 한 칩에 집적되는 트랜지스터의 개수가 백만 개를 넘어서자 NMOS 기술의 한계가 나타나기 시작하였다. NMOS 기술은 논리 회로를 구현하는데 필요한 소자의 개수가 작은 대신 많은 전력을 사용하는 단점이 있었는데 집적되는 트랜지스터의 개수가 백만 개를 넘어서면서 전력 소모에 따른 과열이 가장 큰 문제로 등장하게 된 것이다. 이에 따라 NMOSFET과 PMOSFET을 상보적으로 사용하여 전력 소모를 획기적으로 줄이는 CMOS(complementary CMOS) 기술이 사용되기 시작하였으며 현재까지도 반도체 집적회로의 핵심 기술로 자리 잡고 있다.